CN117243793A - 一种手部康复系统 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种手部康复系统。该系统可包括：健侧手运动信息采集单元、上位机、底层处理单元和执行单元，健侧手运动信息采集单元基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，并基于此分别计算健侧手上每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角；上位机，用于根据计算出的关节夹角生成运动控制命令；底层处理单元，用于根据生成的运动控制命令生成运动控制信号；执行单元，用于根据生成的运动控制信号，控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。本发明实施例的技术方案，解决了在手部康复过程中，可能会给康复对象带来交叉感染风险的问题。
Description
技术领域
本发明实施例涉及医疗技术领域，尤其涉及一种手部康复系统。
背景技术
临床发现，因脑卒中导致的偏瘫患者，通常存在手部功能障碍，这会直接影响到生活质量和活动能力。因此，对于偏瘫患者，手部康复至关重要。
但是，目前应用的手部康复方案，可能会给偏瘫患者(即康复对象)带来交叉感染的风险，存在健康隐患，有待改进。
发明内容
本发明实施例提供了一种手部康复系统，解决了在手部康复过程中，因与康复对象的手部接触而给康复对象带来交叉感染风险的问题。
根据本发明的一方面，提供了一种手部康复系统，可以包括：健侧手运动信息采集单元、上位机、底层处理单元和执行单元，健侧手运动信息采集单元基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，
深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机；
上位机，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，根据掌指关节夹角和近端指间关节夹角生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元；
底层处理单元，用于接收运动控制命令，根据运动控制命令生成运动控制信号，并将运动控制信号发送至执行单元；
执行单元，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
可选的，深度传感器，具体用于：
采集健侧手的健侧运动信息，并根据健侧运动信息，分别得到健侧手上的每个手指的掌骨方向向量、近节骨方向向量以及中节骨方向向量；
针对每个手指，根据手指的掌骨方向向量以及近节骨方向向量，计算出手指的掌指关节夹角，以及，根据手指的近节骨方向向量以及中节骨方向向量，计算出手指的近端指间关节夹角；
将针对每个手指分别计算得到的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，发送至上位机。
可选的，上位机，还用于：
在接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角之后，对掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行除颤处理，并根据得到的除颤处理结果，更新掌指关节夹角和近端指间关节夹角。
可选的，上述手部康复系统，还包括：外骨骼手，外骨骼手穿戴在患侧手上，执行单元，具体用于：
接收运动控制信号，并根据运动控制信号，通过控制外骨骼手来控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
在此基础上，可选的，外骨骼手是腱绳连杆混合驱动设备，执行单元包括舵机，舵机与腱绳连接；
舵机，用于接收运动控制信号，根据运动控制信号进行旋转以拉动腱绳，带动康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
可选的，上述手部康复系统，还包括：
患侧手运动信息采集单元，用于采集患侧手的患侧运动信息，并根据患侧运动信息，分别计算出患侧手上的每个手指的运动角度；
底层处理单元，还用于采集通过患侧手运动信息采集单元计算得到的运动角度，并将运动角度发送至上位机；
上位机，具体用于接收运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并根据运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行比例积分微分计算，并根据得到的比例积分微分计算结果生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元。
在此基础上，一可选的，运动控制命令包括运动控制量，底层处理单元，具体用于：
接收运动控制量，并生成信号值为运动控制量的脉冲宽度调制信号，并将脉冲宽度调制信号作为运动控制信号，发送至执行单元。
另一可选的，底层处理单元包括角度采集子单元和数据处理子单元；
角度采集子单元，用于采集通过患侧手运动信息采集单元计算得到的运动角度，并将运动角度发送至数据处理子单元；
数据处理子单元，用于接收运动角度，对运动角度进行降噪处理，并基于得到的降噪处理更新运动角度，将运动角度发送至上位机。
又一可选的，患侧手运动信息采集单元基于角度传感器实现。
在上述任一的手部康复系统的基础上，可选的，深度传感器包括跳跃运动控制器。
本发明实施例阐述的手部康复系统，可包括：健侧手运动信息采集单元、上位机、底层处理单元和执行单元，健侧手运动信息采集单元基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，并根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机；上位机，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，根据掌指关节夹角和近端指间关节夹角生成运动控制命令，并将该运动控制命令发送至底层处理单元；底层处理单元，用于接收运动控制命令，根据运动控制命令生成运动控制信号，并将该运动控制信号发送至执行单元；执行单元，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。上述技术方案，通过非接触式主从控制方式，为康复对象提供了直观的视觉反馈，而且解决了在手部康复过程中，因与康复对象的手部接触而给康复对象带来交叉感染风险的问题。
应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或是重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例提供的一种手部康复系统的结构框图；
图2是根据本发明实施例提供的一种手部康复系统中关节夹角计算示例的示意图；
图3是根据本发明实施例提供的另一种手部康复系统的结构框图；
图4是根据本发明实施例提供的又一种手部康复系统的结构框图；
图5是根据本发明实施例提供的再一种手部康复系统的结构框图；
图6是根据本发明实施例提供的再一种手部康复系统中可选示例的流程图；
图7是根据本发明实施例提供的再一种手部康复系统中的可选示例的硬件连接示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。“目标”、“原始”等的情况类似，在此不再赘述。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、系统、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是本发明实施例中所提供的一种手部康复系统的结构框图。本实施例可适用于在未与康复对象的健侧手进行接触的情况下，控制康复对象的患侧手进行运动以达到手部康复目的的情况。参见图1，本发明实施例所阐述的手部康复系统，可以包括：健侧手运动信息采集单元10、上位机11、底层处理单元12以及执行单元13，其中，健侧手运动信息采集单元10基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，
深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机11；
上位机11，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并根据掌指关节夹角和近端指间关节夹角生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元12；
底层处理单元12，用于接收运动控制命令，并根据运动控制命令生成运动控制信号，将运动控制信号发送至执行单元13；
执行单元13，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
其中，康复对象可理解为待进行手部康复的对象，健侧手可理解为该康复对象的手部功能正常的手，患侧手可理解为该康复对象的手部功能障碍的手。
健侧手运动信息采集单元10可理解为用于采集健侧手的运动信息(即健侧运动信息)的单元。实际应用中，可选的，可通过将健侧手运动信息采集单元10置于健侧手的下方，尤其可以是正下方来采集健侧运动信息。需要说明的是，本发明实施例中，健侧手运动信息采集单元10基于深度传感器实现，这是因为深度传感器可在无需与健侧手接触的情况下工作，并且可采集到健侧手在运动方面的深度信息，这有利于获取到健侧手的更加全面的运动信息。在此基础上，可选的，深度传感器可以是跳跃运动控制器(Leap MotionController，LMC)、深度相机或红外传感器等，在此未做具体限定。特别的，LMC具备高精度和低延迟的特点，能够精准并且实时地追踪健侧手上的每个手指，从而实现健侧手的位置、姿态和运动轨迹的捕捉与呈现，这有助于实现准确的康复训练。
通过健侧手运动信息采集单元10，采集到健侧运动信息，并根据健侧运动信息进行骨骼分析，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角以进行主从控制。其中，掌指关节(metacarpophalangeal point，MCP)夹角可理解为MCP处的夹角；近端指间关节(proximal interphalangeal point，PIP)夹角可理解为PIP处的夹角。实际应用中，可选的，上述MCP夹角和PIP夹角，可通过多种方式计算，例如可以根据健侧运动信息得到掌骨方向向量、近节骨方向向量和远节骨方向向量，然后根据这几个方向向量计算得到；再如可以根据健侧运动信息得到指尖点空间坐标、DIP点位和PIP点位，然后根据这些空间坐标和点位计算得到；等等，在此未做具体限定。至此，可得到5个MCP夹角和5个PIP夹角。进一步，将计算出的MCP夹角和PIP夹角发送至上位机11，在实际应用中，可选的，可通过相应的回调函数发送至上位机11。
上位机11可理解为至少具备数据收发功能的软件，在此基础上，可选的，还可具备数据显示和比例积分微分(proportional integral derivative，PID)参数调节等功能。通过上位机11，接收深度传感器发送的MCP夹角和PIP夹角，然后根据这些关节夹角生成运动控制命令，并将该运动控制命令发送至底层处理单元12。在实际应用中，可选的，上位机11与底层处理单元12之间的数据传输，可通过串行通信接口(Serial CommunicationInterface，SCI)、并行通信接口、计算机网络或是无线传输等方式实现，在此未做具体限定。
底层处理单元12可理解为至少具备数据处理功能的单元，在此基础上，可选的，还可具备数据采集功能。通过底层处理单元12，接收上位机11发送的运动控制命令，并根据该运动控制命令生成运动控制信号，然后将生成的运动控制信号发送至执行单元13。
执行单元13可理解为通过执行运动控制信号来对患侧手的运动进行控制的单元。通过执行单元13，接收底层处理单元12发送的运动控制信号，然后根据运动控制信号，控制患侧手上的每个手指的运动，从而达到手部康复目的。需要说明的是，由于运动控制信号根据健侧运动信息得到，因此患侧手的运动与健侧手的运动可理解成是一种镜像运动。
根据上文阐述可知，上述手部康复系统，至少具备如下优点：
1、患侧手无需与康复医师进行接触，并且健侧手无需接触任何设备，这种非接触式的手部康复方案，解决了在手部康复过程中，因与手部接触而给康复对象带来交叉感染风险的问题；而且，无需涉及设备校准和清洗等问题，由此降低了方案实施的复杂性并且提高了康复对象的康复体验。
2、不再受限于康复医师的个人水平，保证了手部康复效果；同时，不再受限于康复医师的数量，可在康复黄金时期及时进行手部康复。
3、成本低，适合量产，可使康复对象居家自主康复，由此节约了医疗资源。
4、通过镜像康复(即双侧运动康复)方式，让患侧手跟随健侧手进行主从对称运动，从而给康复对象带来直观的视觉反馈，这有助于激活和模拟大脑中的镜像神经元，从而提升手部康复效果；而且，除了用于镜像自主康复之外，还可进行持续被动运动(Continuous passive motion，CPM)训练。
5、除应用于手部功能障碍康复之外，还可应用于创伤后康复、手部关节炎康复以及日常生活辅助等场景中，可满足更广泛的康复辅助需求。
6、可与互联网相连，这有助于康复医师实现远程康复指导。
本发明实施例阐述的手部康复系统，可包括：健侧手运动信息采集单元、上位机、底层处理单元和执行单元，健侧手运动信息采集单元基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，并根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机；上位机，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，根据掌指关节夹角和近端指间关节夹角生成运动控制命令，并将该运动控制命令发送至底层处理单元；底层处理单元，用于接收运动控制命令，根据运动控制命令生成运动控制信号，并将该运动控制信号发送至执行单元；执行单元，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。上述技术方案，通过非接触式主从控制方式，为康复对象提供了直观的视觉反馈，而且解决了在手部康复过程中，因与康复对象的手部接触而给康复对象带来交叉感染风险的问题。
一种可选的技术方案，深度传感器，具体用于：
采集健侧手的健侧运动信息，并根据健侧运动信息，分别得到健侧手上的每个手指的掌骨方向向量、近节骨方向向量以及中节骨方向向量；
针对每个手指，根据手指的掌骨方向向量以及近节骨方向向量，计算出手指的掌指关节夹角，以及，根据手指的近节骨方向向量以及中节骨方向向量，计算出手指的近端指间关节夹角；
将针对每个手指分别计算得到的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，发送至上位机。
其中，掌骨方向向量可理解为掌骨(Paim)的方向向量，近节骨方向向量可理解为近节骨(Proximal Phalanx)处的方向向量，中节骨方向向量可理解为中节骨(MiddlePhalanx)处的方向向量。需要说明的是，上述方向向量可体现出手指弯曲的角度信息。
针对五个手指中的每个手指，根据该手指的掌骨方向向量以及近节骨方向向量计算出该手指的MCP夹角θf1，示例性的，参见图2，/> 以及，根据该手指的近节骨方向向量/>以及中节骨方向向量/>计算出该手指的PIP夹角θf2，示例性的，/>
上述技术方案，通过可体现出手指弯曲的角度信息的方向向量，实现了MCP夹角和PIP夹角的准确计算。
另一种可选的技术方案，上位机，还用于：
在接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角之后，对掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行除颤处理，并根据得到的除颤处理结果，更新掌指关节夹角和近端指间关节夹角，由此解决了健侧手轻微震颤的问题，保证了控制精度。
在实际应用中，可选的，上述除颤处理可通过归一化处理实现。示例性的，对计算出的关节夹角进行归一化处理，将角度值约束在最接近的5°的倍数上。检查归一化数值是否与前一个归一化数值相等，在不相等的情况下更新输出值，以及在相等的情况下表示数据没有发生变化，维持原有输出值，并且将前一个归一化数值更新为当前归一化数值，以便下一次迭代使用。
图3是本发明实施例中提供的另一种手部康复系统的结构框图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。本实施例中，可选的，上述手部康复系统，还包括：外骨骼手，该外骨骼手穿戴在患侧手上，执行单元，具体用于：接收运动控制信号，并根据运动控制信号，通过控制外骨骼手来控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
具体的，参见图3，本发明实施例所述的手部康复系统，可包括：健侧手运动信息采集单元20、上位机21、底层处理单元22、执行单元23以及外骨骼手24，健侧手运动信息采集单元20基于深度传感器实现，深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作，外骨骼手24穿戴在康复对象的患侧手上；其中，
深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机21；
上位机21，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并根据掌指关节夹角和近端指间关节夹角生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元22；
底层处理单元22，用于接收运动控制命令，根据该运动控制命令生成运动控制信号，并将运动控制信号发送至执行单元23；
执行单元23，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，通过控制外骨骼手24来控制康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
其中，外骨骼手24可理解为可穿戴在患侧手上的设备，由此可通过控制外骨骼手24来控制患侧手进行运动。具体的，通过执行单元23，根据运动控制信号，通过控制外骨骼手24来控制患侧手上的每个手指进行运动。
本发明实施例的技术方案，通过在患侧手上穿戴上外骨骼手，从而可借助执行单元，通过控制外骨骼手来有效控制患侧手的运动。
一种可选的技术方案，外骨骼手可包括腱绳连杆混合驱动设备，执行单元包括舵机，舵机与腱绳连接；
舵机，用于接收运动控制信号，根据运动控制信号进行旋转以拉动腱绳，带动康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
其中，外骨骼手可以是腱绳连杆混合驱动设备。在此基础上，由于可针对健侧手上的每个手指分别计算出2个关节夹角，因此在主从控制中，可选的，外骨骼手具体可以是10自由度的腱绳连杆混合驱动设备，这时需要搭建10条独立信道来完成通信与控制。
执行单元可基于舵机实现，该舵机与腱绳连接，因此可借助该舵机，根据运动控制信号进行旋转以拉动腱绳，从而带动患侧手的手指进行屈曲伸展运动，由此实现了患侧手运动的有效控制。
图4是本发明实施例中提供的又一种手部康复系统的结构框图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。本实施例中，可选的，上述手部康复系统，还包括：患侧手运动信息采集单元，用于采集患侧手的患侧运动信息，并根据患侧运动信息，分别计算出患侧手上的每个手指的运动角度；底层处理单元，还用于采集通过患侧手运动信息采集单元计算出的运动角度，并将运动角度发送至上位机；上位机，具体用于接收运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并根据运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行比例积分微分计算，根据得到的比例积分微分计算结果生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元。其中，与上述各实施例相同或是相应的术语的解释在此不再赘述。
具体的，参见图4，本发明实施例所述的手部康复系统，可包括：健侧手运动信息采集单元30、上位机31、底层处理单元32、执行单元33以及患侧手运动信息采集单元34，健侧手运动信息采集单元30基于深度传感器实现，该深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，
深度传感器，用于采集健侧手的健侧运动信息，根据健侧运动信息，分别计算健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，并将掌指关节夹角和近端指间关节夹角发送至上位机31；
患侧手运动信息采集单元34，用于采集康复对象的患侧手的患侧运动信息，并根据患侧运动信息，分别计算出患侧手上的每个手指的运动角度；
底层处理单元32，用于采集通过患侧手运动信息采集单元34计算得到的运动角度，并将运动角度发送至上位机31；
上位机31，用于接收运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角，根据运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行比例积分微分计算，并根据得到的比例积分微分计算结果生成运动控制命令，将运动控制命令发送至底层处理单元32；
底层处理单元32，还用于接收运动控制命令，根据运动控制命令生成运动控制信号，并将运动控制信号发送至执行单元33；
执行单元33，用于接收运动控制信号，并根据运动控制信号，控制患侧手上的每个手指进行运动。
其中，患侧手运动信息采集单元34可理解为用于采集患侧手的运动信息(即患侧运动信息)的单元。在实际应用中，可选的，在手部康复系统还包括外骨骼手的情况下，患侧手运动信息采集单元34可内嵌于外骨骼手上。再可选的，患侧手运动信息采集单元34可基于角度传感器、线性编码器、陀螺仪或是弯曲传感器等可直接或间接测量到角度的编码器实现，尤其可基于可直接测量到角度的角度传感器实现，这有助于后续实现运动角度的快速确定。
通过患侧手运动信息采集单元34，采集患侧运动信息，并根据该患侧运动信息，分别计算出患侧手上的每个手指的运动角度。如果将上文中阐述的关节夹角作为主从控制中的控制数据，那么这里阐述的运动角度，可作为主从控制中的反馈数据，即将患侧手运动信息采集单元34作为控制过程中的反馈环。
通过底层处理单元32，采集运动角度，并将该运动角度发送至上位机31。这样一来，通过上位机31，可接收运动角度和关节夹角，进而可根据这些运动角度和关节夹角进行PID计算，并根据得到的PID计算结果生成运动控制命令。
本发明实施例的技术方案，通过将患侧运动信息反馈到上位机，以与健侧运动信息一同经过PID计算以输出到执行单元，由此实现了针对患侧手的运动进行精确有效地控制，从而提升了手部康复效果。
一种可选的技术方案，运动控制命令可包括运动控制量，底层处理单元，具体用于：
接收运动控制量，并生成信号值为运动控制量的脉冲宽度调制信号，将脉冲宽度调制信号作为运动控制信号，发送至执行单元。
换言之，上位机经PID计算后输出运动控制量，从而底层处理单元可生成信号值为运动控制量的脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)信号，并将该PWM信号作为运动控制信号来发送至执行单元，由此控制患侧手运动。
另一种可选的技术方案，底层处理单元包括角度采集子单元和数据处理子单元；
角度采集子单元，可用于采集通过患侧手运动信息采集单元计算出的运动角度，并将运动角度发送至数据处理子单元；
数据处理子单元，用于接收运动角度，对运动角度进行降噪处理，并基于得到的降噪处理结果更新运动角度，将运动角度发送至上位机。
其中，角度采集子单元可理解为用于采集患侧手运动信息采集单元计算出的运动角度子单元。在实际应用中，可选的，角度采集子单元可基于模数转换器(Analog-to-Digital Converter，ADC)实现。通过角度采集子单元，采集通过计算出的运动角度，并将该运动角度发送至数据处理子单元。
数据处理子单元可理解为具备数据降噪和收发功能的子单元。在实际应用中，可选的，数据处理子单元可基于单片机实现。通过数据处理子单元，接收角度采集子单元发送的运动角度，并对运动角度进行降噪处理，例如基于均值滤波或是中位值平均滤波等滤波算法处理运动角度以实现降噪。然后，将降噪后(即更新后)的运动角度发送至上位机上进行PID计算。
上述技术方案，通过模数转换和降噪处理，保证了采集的患侧运动信息的准确性。
图5是本发明实施例中提供的再一种手部康复系统的结构框图。本实施例以上述各技术方案为基础进行优化。其中，与上述各实施例相同或相应的术语的解释在此不再赘述。
具体的，如图5所示，本发明实施例的手部康复系统，可包括：跳跃运动控制器40、上位机41、角度传感器42、数模转换器43、单片机44、舵机45以及外骨骼手46，其中，跳跃运动控制器40在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作，外骨骼手46可穿戴在康复对象的患侧手上，角度传感器42内嵌于外骨骼手46上，外骨骼手46为10自由度的腱绳连杆混合驱动设备，舵机45与腱绳连接；其中，
跳跃运动控制器40，用于采集健侧手的健侧运动信息，根据健侧运动信息，分别得到健侧手上的每个手指的掌骨方向向量、近节骨方向向量和中节骨方向向量；
跳跃运动控制器40，还用于针对每个手指，根据手指的掌骨方向向量以及近节骨方向向量，计算出手指的掌指关节夹角，以及，根据手指的近节骨方向向量以及中节骨方向向量，计算出手指的近端指间关节夹角，然后将针对每个手指分别计算出的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，发送至上位机41；
上位机41，用于接收掌指关节夹角和近端指间关节夹角，对掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行除颤处理，并根据得到的除颤处理结果，对掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行更新；
角度传感器42，用于采集患侧手的患侧运动信息，并根据患侧运动信息，分别计算出患侧手上的每个手指的运动角度；
模数转换器43，用于采集通过角度传感器42计算出的运动角度，然后将运动角度发送至单片机44；
单片机44，用于接收运动角度，并对运动角度进行降噪处理，基于得到的降噪处理结果更新运动角度，将运动角度发送至上位机41；
上位机41，还用于接收运动角度，并根据运动角度、掌指关节夹角和近端指间关节夹角进行比例积分微分计算，根据得到的比例积分微分计算结果生成运动控制量，将运动控制量发送至单片机44；
单片机44，还用于接收运动控制量，生成信号值为运动控制量的脉冲宽度调制信号，并将脉冲宽度调制信号发送至舵机45；
舵机45，用于接收脉冲宽度调制信号，并根据脉冲宽度调制信号进行旋转以拉动腱绳，带动外骨骼手46进行运动。
本发明实施例的技术方案，通过非接触式自主康复控制策略与外骨骼手相结合，有效降低了交叉感染风险，并且能够更加合理地利用有限的医疗资源，为手部功能受损的康复对象提供了更加全面和便捷的手部康复方案。
为了更好地理解本发明实施例阐述的手部康复系统，下面结合具体示例，对其进行示例性说明。示例性的，参见图6和图7：
步骤1：连接Leap Motion传感器(即LMC)，打开上位机，穿戴外骨骼手并开启5V独立电源，让舵机处于待机状态。
步骤2：打开串口连接。调整LMC位置，使其位于健侧手的正下方。
步骤3：健侧手做出相应动作，LMC采集健侧手的健侧运动信息，并基于此进行手部骨骼分析，计算出MCP夹角和PIP夹角。
步骤4：通过相应的回调函数，将计算出的MCP夹角和PIP夹角上传到上位机以进行除颤处理。
步骤5：控制命令(即运动控制命令)经由上位机下发到单片机，由单片机发送PWM信号控制舵机旋转角度。此外，外骨骼手内嵌角度传感器作为反馈，通过ADC，经由串行外设接口上传到单片机，然后在单片机中进行降噪处理，后经由串口上传到上位机上。
步骤6：上位机调用内部的多线程类应用程序接口，包括LMC数据采集线程、角度传感器数据采集线程和PID计算线程。其中，PID计算线程内部采用位置式PID算法，对除颤处理后的关节夹角和降噪处理后的运动角度进行PID计算，并输出运动控制量，该运动控制量即为与其对应的PWM信号的信号值。
通过上述几个步骤，患侧手可随着健侧手的运动做出同样的动作，从而在手部康复过程中，让康复对象同时注视双手的动作，由此达到了双侧运动康复中视觉反馈的效果。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。
Claims (10)
1.一种手部康复系统，其特征在于，包括：健侧手运动信息采集单元、上位机、底层处理单元和执行单元，所述健侧手运动信息采集单元基于深度传感器实现，所述深度传感器在未与康复对象的健侧手接触的情况下工作；其中，
所述深度传感器，用于采集所述健侧手的健侧运动信息，并根据所述健侧运动信息，分别计算所述健侧手上的每个手指的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，将所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角发送至所述上位机；
所述上位机，用于接收所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角，根据所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角生成运动控制命令，并将所述运动控制命令发送至所述底层处理单元；
所述底层处理单元，用于接收所述运动控制命令，根据所述运动控制命令生成运动控制信号，并将所述运动控制信号发送至所述执行单元；
所述执行单元，用于接收所述运动控制信号，并根据所述运动控制信号，控制所述康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述深度传感器，具体用于：
采集所述健侧手的健侧运动信息，根据所述健侧运动信息，分别得到所述健侧手上的每个手指的掌骨方向向量、近节骨方向向量以及中节骨方向向量；
针对所述每个手指，根据所述手指的掌骨方向向量以及近节骨方向向量，计算出所述手指的掌指关节夹角，以及，根据所述手指的近节骨方向向量以及中节骨方向向量，计算出所述手指的近端指间关节夹角；
将针对所述每个手指分别计算得到的掌指关节夹角和近端指间关节夹角，发送至所述上位机。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述上位机，还用于：
在所述接收所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角之后，对所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角进行除颤处理，并根据得到的除颤处理结果，更新所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：外骨骼手，所述外骨骼手穿戴在所述患侧手上，所述执行单元，具体用于：
接收所述运动控制信号，并根据所述运动控制信号，通过控制所述外骨骼手来控制所述康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述外骨骼手包括腱绳连杆混合驱动设备，所述执行单元包括舵机，所述舵机与所述腱绳连接；
所述舵机，用于接收所述运动控制信号，根据所述运动控制信号进行旋转以拉动所述腱绳，带动所述康复对象的患侧手上的每个手指进行运动。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：
患侧手运动信息采集单元，用于采集所述患侧手的患侧运动信息，并根据所述患侧运动信息，分别计算出所述患侧手上的每个手指的运动角度；
所述底层处理单元，还用于采集通过所述患侧手运动信息采集单元计算出的所述运动角度，并将所述运动角度发送至所述上位机；
所述上位机，具体用于接收所述运动角度、所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角，并根据所述运动角度、所述掌指关节夹角和所述近端指间关节夹角进行比例积分微分计算，根据得到的比例积分微分计算结果生成运动控制命令，将所述运动控制命令发送至所述底层处理单元。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述运动控制命令包括运动控制量，所述底层处理单元，具体用于：
接收所述运动控制量，生成信号值为所述运动控制量的脉冲宽度调制信号，并将所述脉冲宽度调制信号作为运动控制信号，发送至所述执行单元。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述底层处理单元包括角度采集子单元和数据处理子单元；
所述角度采集子单元，用于采集通过所述患侧手运动信息采集单元计算出的所述运动角度，并将所述运动角度发送至所述数据处理子单元；
所述数据处理子单元，用于接收所述运动角度，对所述运动角度进行降噪处理，并基于得到的降噪处理结果更新所述运动角度，将所述运动角度发送至所述上位机。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述患侧手运动信息采集单元基于角度传感器实现。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的系统，其特征在于，所述深度传感器包括跳跃运动控制器。
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|---|---|---|---|
| CN202311253952.XA CN117243793A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种手部康复系统 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202311253952.XA CN117243793A (zh) | 2023-09-26 | 2023-09-26 | 一种手部康复系统 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN118383994A (zh) * | 2024-06-28 | 2024-07-26 | 北京理工大学长三角研究院(嘉兴) | 一种用于神经康复的仿生外骨骼康复机械手及方法 |
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2023
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